CN102039314A

CN102039314A - 一种高碳半钢复合辊环及制造方法

Info

Publication number: CN102039314A
Application number: CN 201010555097
Authority: CN
Inventors: 李贺军; 王溪; 苏恒渤; 邢和意; 魏天生; 赵红星; 张国芳; 郑海明; 王雅玲; 郭振良
Original assignee: TANGSHAN DAFANG FOUNDRY CO Ltd
Current assignee: Hebei Jinxi iron and Steel Group Heavy Industry Technology Co., Ltd.
Priority date: 2010-11-23
Filing date: 2010-11-23
Publication date: 2011-05-04
Anticipated expiration: 2030-11-23
Also published as: CN102039314B

Abstract

一种高碳半钢复合辊环及制造方法，属钢铁铸造技术领域，用于解决高碳半钢辊环易出现热裂纹及抗热疲劳性不佳的问题。本发明经优化配置复合辊环材料化学成分、严格控制外层原料选配、制定合适的热处理工艺参数，特别是高温扩散退火工艺参数，可以有效提高辊环抗热疲劳性能、强度及韧性，延长使用寿命。经检验本发明辊环外层硬度为≥58HSD，抗拉强度≥550MPa，延伸率≥1%，内层抗拉强度≥600MPa，延伸率>1.5%。与普通离心铸造半钢辊环相比，本发明辊环使用寿命提高30%以上。

Description

一种高碳半钢复合辊环及制造方法

技术领域

本发明涉及一种轧机用辊环及其制造方法，特别是离心铸造高碳半钢/石墨钢复合辊环及其制造方法，属钢铁铸造技术领域。

背景技术

近年来，随着H型钢生产线的相继投产，做为主要配件辊环的市场需求量也迅速增加，大型H型钢轧机用辊环的制作主要采用离心铸造，其外层采用半钢或硬质合金，内层采用石墨钢。目前辊环外层材质中大多碳含量较低，一般控制在1.8%以下，其原因是在半钢材质的化学成分区域内，随着碳含量的增加，结晶温度范围逐渐变得很宽，在凝固过程中产生热裂纹的倾向很大，给铸造工艺代来很大的难度，故生产企业为得到较高的产品合格率，尽可能地降低碳含量，一般控制在1.4~1.8%。但这样选择碳含量的结果，使得凝固组织中碳化物耐磨硬质相的数量较少，辊环的耐磨性差，使用寿命短。也有一些辊环外层材质含碳量达到2.0%以上，随碳含量增加无疑提高了辊环的耐磨性，但仍存有下述问题：1.在原料选择方面流于一般概念，使得组织中P、S含量偏高，导致辊环使用过程中易产生热裂纹和冷脆；2.热处理工艺制定不合理，未能够对碳化物形态进行有效改善，导致辊环的抗热疲劳性不佳，使用寿命受到影响。

发明内容

本发明旨在解决已有技术之缺陷而提供一种使用寿命长、具有高硬度、强度及韧性的高碳半钢复合辊环及制造方法。

本发明所称问题是由以下技术方案解决的：

一种高碳半钢复合辊环，它由外层高碳半钢和内层石墨钢复合而成，其特别之处是：所外层材料化学成分重量百分比为：C 2.1-2.5、Si 0.5-0.8、Mn 0.8-1.2、Cr 1.5-2.0、Ni 1.5-2.0、Mo 0.4-0.8、V 0.2~0.5、Al 0.1、P≤0.03、S≤0.03、Re 0.2，余量为Fe；内层材料化学成分重量百分比为：C 1.0-1.5、Si 1.2-1.6、Mn 0.6-0.9、Cr 0.2-0.6、Ni 0.4-0.8、Mo 0.15-0.25、P≤0.03、S≤0.03、Re 0.15，余量为Fe。

上述高碳半钢复合辊环制造方法，它包括熔化外层材料、熔化内层材料、离心浇注复合辊环、复合辊环热处理等工序，所述复合辊环热处理工序按照以下步骤进行：

a. 高温扩散退火：将脱模复合辊环以每小时50 oC升温至700~900 oC，保温6~10小时，再以每小时50 oC升温到 1100~1200 oC，保温4~8小时，炉冷到1000 oC，保持 7~10小时，吊出空冷到400~500 oC，入炉；

b. 淬火：将已扩散退火的辊环以每小时50 oC升温至650~750 oC ，保温3~6小时，再以每小时50 oC升温到 1000~1100 oC，保温10~14小时，吊出空冷到500 oC，入炉炉冷到400 oC；

c. 回火：以每小时50 oC升温到 550~650 oC，保温10~14小时，炉冷到200 oC出炉。

上述高碳半钢复合辊环制造方法方法，所述熔化外层材料工序中将磷、硫含量≤0.03%的废钢、增碳剂、镍板、铬铁、硅铁、锰铁和钼铁混合加热熔化，炉前调整成份合格后，将温度升至1590-1620oC，依次加入硅-钙合金、铝脱氧，然后加入钒铁，而后出炉。

本发明针对高碳半钢辊环易出现热裂纹及抗热疲劳性不佳的问题进行了改进，其主要特点体现在如下方法1.优选辊环内外层材料配比，确定辊环外层半钢的高碳含量及合理的合金元素含量，以确保辊环高硬度、高耐磨性的要求；2.辊环外层原料摒弃常规原料中的生铁，并严格控制废钢中的硫、磷含量，直接利用增碳剂达到高碳含量要求，此方法可有效将硫、磷含量控制在≤0.03%，避免或降低辊环热裂纹和冷脆倾向；3.根据外层辊环高碳含量的特点，制定合适的热处理工艺，特别是通过高温扩散退火，改善碳化物结构，使其形成团块或颗粒状结构，有效提高辊环抗热疲劳性能，延长使用寿命。经检验本发明辊环外层硬度为≥58HSD，抗拉强度≥550Mpa，延伸率≥1%，内层抗拉强度≥600Mpa，延伸率>1.5%。与普通离心铸造半钢辊环相比，本发明辊环使用寿命提高30%以上。

具体实施方式

本发明所述高碳半钢复合辊环由外层高碳半钢和内层石墨钢复合而成，采用电炉熔炼，离心铸造成型。其中外层高碳半钢的化学成分重量%为：C 2.1-2.5、Si 0.5-0.8、Mn 0.8-1.2、Cr 1.5-2.0、Ni 1.5-2.0、Mo 0.4-0.8、V 0.2~0.5、Al 0.1%、P≤0.03、S≤0.03、Re 0.2，余量为Fe。内层石墨钢化学成分重量%为：C 1.0-1.5、Si 1.2-1.6、Mn 0.6-0.9、Cr 0.2-0.6、Ni 0.4-0.8、Mo 0.15-0.25、P≤0.03、S≤0.03、Re 0.15，余量为Fe。

本发明的主要技术要点体现在如下几个方面：

1、优选辊环外层材料配比，提高外层半钢的高碳含量及确定合理的合金元素含量，以确保辊环高硬度、高耐磨性的要求。碳是保证轧辊工作层中有足够碳化物硬质相的基本元素，若碳含量低，则不能形成足够的碳化物硬质相，造成轧辊的耐磨性降低；但碳含量过高，会使铸件的热裂纹倾向增大，并在使用中易引起剥落现象。本发明采用的碳含量为2.1~2.5%。铬和鉬是形成碳化物的主要元素，适量的铬和鉬可以改善碳化物的形貌和显微硬度，并可提高轧辊的淬透性和强韧性，铬的含量控制在1.5~2.0%，鉬的含量控制在0.4~0.8。镍对基体的强韧性有很重要的贡献，在本发明中控制在1.5~2.0%。钒对改善碳化物的形貌有重要作用，在本发明中控制在0.2~0.5%；

2、控制辊环外层原料的硫、磷含量，避免辊环因硫含量高引起热裂纹和磷含量高引起冷脆。本发明在熔化外层材料工序中对原料的选取有严格的要求，首先弃用含硫、磷及其它杂质成分高的的废铁，其次控制原料废钢的磷、硫含量≤0.03%，上述方法与常规方法在熔炼过程中脱硫、脱磷相比，可以从源头上杜绝有害杂质进入辊环组织中，保证辊环高碳半钢层低硫、低磷，从而消除或降低辊环热裂纹和冷脆倾向。由于原料弃用生铁，外层高碳辊环中的碳含量完全依靠增碳剂来实现，增碳剂（电极块）在熔炼前即和其它原料一并加入熔化；

3、采用高温扩散退火、淬火、回火热处理工艺，达到改善碳化物形态、促进组织转变和细化组织的目的，以提高辊环的耐磨性和抗热疲劳性。本发明辊环高碳半钢层的碳含量达到2%以上，可以在组织中形成大量的碳化物硬质相，但浇注后组织中碳化物为大块的枝条状或网状分布，枝晶偏析及区域偏析严重，成分不均匀，这种组织状态不改变，很容易导致轧辊在工作时产生裂纹，并使裂纹沿晶界扩展。采用扩散退火可使各元素在奥氏体中充分扩散，使成分和组织均匀化，消除铸造应力，为后续的淬火做好组织准备。一直以来，业内存在经扩散退火后组织改善不明显的问题，这也是很多企业对辊环热处理弃用扩散退火的原因之一。事实上根据辊环成分制定合适的扩散退火工艺参数，是实现扩散退火目的的关键。本发明针对辊环材料化学成分配比，经过反复摸索试验，给出了扩散退火合理的加热温度和保温时间，加热温度需达到1100~1200 oC，配合较长时间的保温才能达到有效改善组织形态的目的。金相组织检测表明，采用本发明高温扩散退火方法可以明显改善组织分布状态，使成分充分均匀化，配合后续淬火、回火，使碳化物形成团块状、颗粒状的理想状态，有效抵抗组织内部微小裂纹的扩展，提高抗热疲劳性能，以致延长辊环的使用寿命。

本发明所述高碳半钢复合辊环的制造方法如下：

1、熔化外层高碳半钢：

（1）将磷、硫含量≤0.03%废钢、增碳剂（电极块）、镍板、铬铁、硅铁、锰铁和钼铁混合加热熔化，炉前调整成份合格后，将温度升至1590-1620oC，依次加入硅-钙合金、铝脱氧，然后加入钒铁，而后出炉；

（2）将稀土硅铁破碎到粒度小于10mm的小块，与碱面、铝一起，于180-220 oC烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理，得到外层钢水；

2、熔化内层石墨钢：将废钢、电极、硅铁、锰铁混合加热熔化，炉前调整成分合格后，将温度升至1620-1650 oC，在浇包内加入占内层钢水总重量的0.1-0.15%的稀土美合金、0.5-0.8%的硅-钙合金和0.05-0.12%的Al、碱面0. 1-0. 15%，并用铸铁屑覆盖，随后将内层钢水冲入浇包，待球化反应完毕后充分搅拌、扒渣，包内钢水加保温剂覆盖；

3、浇注辊环：选择离心机转速400rpm-500rpm；铸型材质是灰铸铁、球墨铸铁或铸钢，壁厚200mm-300mm，预热温度为150-220 oC，喷上一层耐火涂料，涂料厚度1.5mm-5.0mm。铸型烘干后安装在离心机上待浇注；当铸型温度为150-220 oC时浇注外层钢水，外层钢水浇注温度1440-1460 oC，外层钢水总重的70%-80%浇入铸型后，将已预热的保护渣在浇道内随流均匀撒入，待铸型内层钢水内表面温度降到1280-1320 oC时，开始浇注内层钢水，内层钢水浇注温度为1530-1550 oC，当复合辊环凝固成型后脱模；

4、辊环脱模后进行热处理：（1）扩散退火，扩散退火的目的，一是使基体内的溶质原子均匀分布，二是通过高温使网状或条状碳化物分解成小的团块状碳化物，以提高轧辊的抗热疲劳性能，三是消除铸造应力。具体工艺是：以每小时50 oC升温至700~900 oC，保温6~10小时，再以每小时50 oC升温到 1100~1200 oC，保温4~8小时，炉冷到1000 oC，保持 7~10小时，吊出空冷至400度，入炉。（2）淬火，淬火使奥氏体组织转变成细片状珠光体和少量贝氏体及马氏体组织，以使基体获得足够的硬度。具体工艺是：将扩散退火的辊环以每小时50 oC升温至650~750 oC ，保温3~6小时，再以每小时50 oC升温到 1000~1100 oC，保温10~14小时，吊出空冷500 oC，入炉炉冷到400 oC。（3）回火，回火用于消除轧辊组织中残留的奥氏体，并消除淬火中产生的应力。具体工艺是：以每小时50 oC升温到 550~650 oC，保温10~14小时，炉冷到200 oC出炉；

5、经过热处理的辊环经粗加工、精加工，得到离心铸造高碳半钢/石墨钢复合辊环。

以下提供几个实施例：

实施例1：辊环高碳半钢外层化学成分重量%为：C 2.1、Si 0.8、Mn 1.2、Cr 1.5、Ni 1.7、Mo 0.6、V 0.5、Al 0.1、P≤0.03、S≤0.03、Re 0.2，余量为Fe。辊环内层石墨钢化学成分重量%为：C 1.0、Si 1.6、Mn 0.7、Cr 0.4、Ni 0.4、Mo 0.20、P≤0.03、S≤0.03、Re 0.15，余量为Fe。

上述实施例辊环制造过程包括熔化外层高碳半钢、熔化内层高碳半钢、浇注辊环、辊环热处理等工序，其中熔化外层高碳半钢工序中：将磷、硫含量≤0.03%废钢、增碳剂（电极块）、镍板、铬铁、硅铁、锰铁和钼铁混合加热熔化，炉前调整成份合格后，将温度升至1590oC，依次加入硅-钙合金、铝脱氧，然后加入钒铁，而后出炉；

上述实施例所述热处理工序按照下列步骤进行：a. 高温扩散退火：将脱模复合辊环以每小时50 oC升温至800 oC，保温8小时，再以每小时50 oC升温到 1100 oC，保温8小时，炉冷到1000 oC，保持 7小时，吊出空冷至400度，入炉； b. 淬火：将扩散退火的辊环以每小时50 oC升温至650 oC ，保温6小时，再以每小时50 oC升温到 1100 oC，保温10小时，吊出空冷500 oC，入炉炉冷到400 oC； c. 回火：以每小时50 oC升温到 550 oC，保温14小时，炉冷到200 oC出炉。

实施例2：辊环高碳半钢外层化学成分重量%为：C 2.5、Si 0.6、Mn 0.8、Cr 1.7、Ni 2.0、Mo 0.4、V 0.4、Al 0.1、P≤0.03、S≤0.03、Re 0.2，余量为Fe。辊环内层石墨钢化学成分重量%为：C 1.2、Si 1.4、Mn 0.6、Cr 0.6、Ni 0.6、Mo 0.25、P≤0.03、S≤0.03、Re 0.15，余量为Fe。

上述实施例辊环制造过程包括熔化外层高碳半钢、熔化内层高碳半钢、浇注辊环、辊环热处理等工序，其中熔化外层高碳半钢工序中：将磷、硫含量≤0.03%废钢、增碳剂（电极块）、镍板、铬铁、硅铁、锰铁和钼铁混合加热熔化，炉前调整成份合格后，将温度升至1620oC，依次加入硅-钙合金、铝脱氧，然后加入钒铁，而后出炉；

上述实施例所述热处理工序按照下列步骤进行：a. 高温扩散退火：将脱模复合辊环以每小时50 oC升温至900 oC，保温6小时，再以每小时50 oC升温到 1150 oC，保温6小时，炉冷到1000 oC，保持 10小时，吊出空冷至400度，入炉； b. 淬火：将扩散退火的辊环以每小时50 oC升温至700 oC ，保温4小时，再以每小时50 oC升温到 1050 oC，保温12小时，吊出空冷500 oC，入炉炉冷到400 oC； c. 回火：以每小时50 oC升温到 650 oC，保温10小时，炉冷到200 oC出炉。

实施例3：辊环高碳半钢外层化学成分重量%为：C 2.3、Si 0.5、Mn 1.0、Cr 2.0、Ni 1.5、Mo 0.8、V 0.2、Al 0.1、P≤0.03、S≤0.03、Re 0.2，余量为Fe。辊环内层石墨钢化学成分重量%为：C 1.5、Si 1.2、Mn0.9、Cr 0.2、Ni 0.8、Mo 0.15、P≤0.03、S≤0.03、Re 0.15，余量为Fe。

上述实施例辊环制造过程包括熔化外层高碳半钢、熔化内层高碳半钢、浇注辊环、辊环热处理等工序，其中熔化外层高碳半钢工序中：将磷、硫含量≤0.03%废钢、增碳剂（电极块）、镍板、铬铁、硅铁、锰铁和钼铁混合加热熔化，炉前调整成份合格后，将温度升至1600oC，依次加入硅-钙合金、铝脱氧，然后加入钒铁，而后出炉；

上述实施例所述热处理工序按照下列步骤进行：a. 高温扩散退火：将脱模复合辊环以每小时50 oC升温至700 oC，保温10小时，再以每小时50 oC升温到 1200 oC，保温4小时，炉冷到1000 oC，保持 9小时，吊出空冷至400度，入炉； b. 淬火：将扩散退火的辊环以每小时50 oC升温至750 oC ，保温3小时，再以每小时50 oC升温到 1000 oC，保温14小时，吊出空冷500 oC，入炉炉冷到400 oC； c. 回火：以每小时50 oC升温到 600 oC，保温12小时，炉冷到200 oC出炉。

Claims

1.一种高碳半钢复合辊环，它由外层高碳半钢和内层石墨钢复合而成，其特征在于：所外层材料化学成分重量百分比为：C 2.1-2.5、Si 0.5-0.8、Mn 0.8-1.2、Cr 1.5-2.0、Ni 1.5-2.0、Mo 0.4-0.8、V 0.2~0.5、Al 0.1、P≤0.03、S≤0.03、Re 0.2，余量为Fe；内层材料化学成分重量百分比为：C 1.0-1.5、Si 1.2-1.6、Mn 0.6-0.9、Cr 0.2-0.6、Ni 0.4-0.8、Mo 0.15-0.25、P≤0.03、S≤0.03、Re 0.15，余量为Fe。

2.根据权利要求1所述的高碳半钢复合辊环制造方法，它包括熔化外层材料、熔化内层材料、离心浇注复合辊环、复合辊环热处理等工序，其特征在于：所述复合辊环热处理工序按照以下步骤进行：

a. 高温扩散退火：将脱模复合辊环以每小时50 oC升温至700~900 oC，保温6~10小时，再以每小时50 oC升温到 1100~1200 oC，保温4~8小时，炉冷到1000 oC，保持 7~10小时，吊出空冷至400度，入炉；

b. 淬火：将已扩散退火的辊环以每小时50 oC升温至650~750 oC ，保温3~6小时，再以每小时50 oC升温到 1000~1100 oC，保温10~14小时吊出空冷500 oC，入炉炉冷到400 oC；

3.根据权利要求2所述的高碳半钢复合辊环制造方法方法，其特征在于：所述熔化外层材料工序中将磷、硫含量≤0.03%的废钢、增碳剂、镍板、铬铁、硅铁、锰铁和钼铁混合加热熔化，炉前调整成份合格后，将温度升至1590-1620oC，依次加入硅-钙合金、铝脱氧，然后加入钒铁，而后出炉。